RU2568186C2

RU2568186C2 - Economic double-layer winding of electrical machine

Info

Publication number: RU2568186C2
Application number: RU2014109457/07A
Authority: RU
Inventors: Павел Юрьевич Грачев; Дмитрий Викторович Макаров; Роман Геннадьевич Горшков; Андрей Юрьевич Корсаков
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-11-10
Also published as: RU2014109457A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in a double-layer winding of an electrical machine that includes active conductors placed in the core slots and end-coil conductors placed over end surfaces of this core, wherein the significant number of joints of ends of the end-coil and active conductors are placed near edges of the end surface of a tooth-and-slot area of the core and the above joints have the area of connection less than the square area of cross-sections averaged against the slot length of the connected active conductors of the winding, the active conductors with the reduced square area of joints are made so that the cross-section area of their ends is increased step-by-step in the direction to the slot centres, and the end-coil conductors are made so that the cross-section area of their ends is increased step-by-step in the direction to the centres of these end-coil conductors.

EFFECT: improved cooling of the winding at reduced material consumption.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, касается конструктивного выполнения обмоток статоров и роторов электрических машин переменного тока и якорей коллекторных электрических машин. Это изобретение может быть применено при проектировании и изготовлении обмоток статора и ротора асинхронных машин, обмоток якоря синхронных, коллекторных и вентильных двигателей и генераторов, также и обмоток трансформаторов с вращающимся полем.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to electrical machines, for the structural design of the windings of stators and rotors of electrical AC machines and anchors of collector electrical machines. This invention can be applied in the design and manufacture of stator windings and rotors of asynchronous machines, armature windings of synchronous, collector and valve motors and generators, as well as transformer windings with a rotating field.

Известна двухслойная стержневая волновая обмотка электрической машины с пазами сердечника прямоугольной формы и с существенно уменьшенным объемом лобовых частей (патент РФ №2275729, БИПМ №12, 27.04.2006) - прототип. В верхней части пазов сердечника этой электрической машины, ближе к зубцовой поверхности сердечника, расположены активные проводники (стержни), образующие верхний слой обмотки. Активные проводники (стержни), расположенные в нижних частях пазов сердечника ближе к спинке (ярму) сердечника, образуют нижний слой обмотки. При этом сечение стержней внутри паза не изменяется. Проводники лобовых частей (лобовые перемычки) обмотки, расположенные по торцам сердечника, соединяют активные проводники обмотки. По крайней мере большинство лобовых перемычек имеют площади сечения, в местах их соединения со стержнями, меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых стержней обмотки. Места соединений упомянутых перемычек со стержнями верхнего слоя обмотки расположены со стороны зубцовой поверхности сердечника, а места соединений перемычек со стержнями нижнего слоя обмотки расположены со стороны спинки (ярма) сердечника. При этом высота лобовых перемычек постоянна. Между кольцами лобовых перемычек и торцевыми поверхностями сердечника выполнен воздушный зазор. Проводники выводов фаз обмотки также имеют площадь сечения в местах их соединения со стержнями меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения стержней, с которыми они соединены.Known two-layer rod wave winding of an electric machine with rectangular grooves of the core and with a significantly reduced volume of the frontal parts (RF patent No. 2275729, BIPM No. 12, 04/27/2006) - prototype. In the upper part of the grooves of the core of this electric machine, closer to the tooth surface of the core, there are active conductors (rods) forming the upper layer of the winding. Active conductors (rods) located in the lower parts of the grooves of the core closer to the back (yoke) of the core form the lower layer of the winding. In this case, the cross section of the rods inside the groove does not change. Conductors of the frontal parts (frontal jumpers) of the winding located at the ends of the core connect the active conductors of the winding. At least most of the frontal bridges have a cross-sectional area, in the places of their connection with the rods, less than the cross-sectional area of the connected winding rods averaged over the length of the groove. The junction points of the said jumpers with the rods of the upper layer of the winding are located on the tooth surface of the core, and the junction of the jumpers with the rods of the lower layer of the winding are located on the back (yoke) of the core. The height of the frontal lintels is constant. An air gap is made between the rings of the frontal bridges and the end surfaces of the core. The conductors of the terminals of the winding phases also have a cross-sectional area at the points of their connection with the rods less than the cross-sectional area averaged over the length of the groove of the rods with which they are connected.

Неизменное сечение стержней внутри паза не позволяет обеспечить их эффективное охлаждение при небольшом воздушном зазоре между кольцами лобовых перемычек и торцевыми поверхностями сердечника и увеличивает расход материала на изготовление обмотки. Постоянная высота лобовых перемычек увеличивает расход материала на их изготовление.The constant cross-section of the rods inside the groove does not allow for their effective cooling with a small air gap between the rings of the frontal bridges and the end surfaces of the core and increases the consumption of material for the manufacture of the winding. The constant height of the frontal jumpers increases the consumption of material for their manufacture.

Техническим результатом является улучшение охлаждения обмотки при уменьшении ее материалоемкости.The technical result is to improve the cooling of the winding while reducing its material consumption.

Он достигается тем, что в двухслойной обмотке электрической машины, включающей активные проводники, расположенные в пазах сердечника, и лобовые проводники, расположенные над торцевыми поверхностями этого сердечника, в которой, по крайней мере значительное число мест соединения концов лобовых и активных проводников расположены у краев торцевой поверхности зубцово-пазовой зоны сердечника, а упомянутые места соединений имеют площади соединения меньше усредненных по длине паза площадей поперечных сечений соединяемых активных проводников обмотки, активные проводники с уменьшенной площадью мест соединений выполнены так, что площадь поперечного сечения их концов постепенно увеличивается по направлению к центрам пазов, а лобовые проводники выполнены так, что площадь поперечного сечения их концов также постепенно увеличивается по направлению к центрам этих лобовых проводников.It is achieved by the fact that in a two-layer winding of an electric machine, including active conductors located in the grooves of the core, and frontal conductors located above the end surfaces of this core, in which at least a significant number of junctions of the ends of the frontal and active conductors are located at the ends of the end the surface of the tooth-groove zone of the core, and the aforementioned joints have connection areas less than the average cross-sectional areas of the connected active conductor a coil the active conductors of reduced area of connecting points are arranged so that the cross-sectional area of the ends thereof gradually increases toward the grooves centers and frontal conductors are arranged so that the cross-sectional area of the ends thereof gradually increases toward the centers of the coil conductors.

Пример конкретного выполнения данного изобретения иллюстрируют: конструкция стержней экономичной обмотки и конструкция экономичной обмотки статора электрической машины переменного тока (синхронной или асинхронной), представленные на фиг.1, 2.An example of a specific implementation of the present invention is illustrated by: the design of the rods of an economical winding and the construction of an economical stator winding of an electric alternating current machine (synchronous or asynchronous), shown in figures 1, 2.

На фиг.1 показан вид стержней экономичной обмотки электрической машины, находящихся в одном пазу сердечника этой машины. Изображены: стержень 1 (активный проводник обмотки) одного (например, верхнего) слоя обмотки, стержень 2 другого (например, нижнего) слоя обмотки, с уменьшенной площадью мест соединения 3 стержней 1,2 с лобовыми проводниками. Показаны концы 4 стержней 1,2. Видно, что площади поперечных сечений концов стержней линейно (постепенно) увеличиваются по направлению к центрам этих стержней (центрам пазов, в которых расположены эти стержни). Объем части 5 с пунктирными линиями определяет объем сэкономленной меди для одного стержня, так как другие концы стержней имеют ту же форму. Увеличение при этом площади наклонных торцевых поверхностей 6 этих стержней, не соединенных с лобовыми проводниками, приводит к увеличению площади охлаждающей поверхности стержней. Увеличивается теплоотдача с этой поверхности стержней в окружающую среду (например, воздух).Figure 1 shows a view of the rods of an economical winding of an electric machine located in one groove of the core of this machine. Depicted: rod 1 (active conductor of the winding) of one (for example, upper) layer of the winding, rod 2 of another (for example, lower) layer of the winding, with a reduced area of the junction of 3 rods 1.2 with frontal conductors. The ends of 4 rods 1,2 are shown. It can be seen that the cross-sectional areas of the ends of the rods linearly (gradually) increase towards the centers of these rods (centers of the grooves in which these rods are located). The volume of the dashed line part 5 determines the amount of copper saved for one rod, since the other ends of the rods have the same shape. The increase in this area of the inclined end surfaces 6 of these rods, not connected to the frontal conductors, leads to an increase in the area of the cooling surface of the rods. The heat transfer from this surface of the rods to the environment (for example, air) increases.

На фиг.2 показан сегмент активной части статора электрической машины с одним из лобовых проводников 7, расположенным над торцевой поверхностью сердечника статора. Конец 8 лобового проводника 7 расположен над местом его соединения 3 со стержнем 1 обмотки статора. Как видно, площадь поперечного сечения конца 8 лобового проводника 7 постепенно увеличивается по направлению к центру этого лобового проводника (заштрихованы два сечения конца 8 лобового проводника 7 - с наименьшей и наибольшей площадью). Таким же образом выполнены и другие лобовые проводники экономичной обмотки электрической машины и их соединения с другими стержнями этой обмотки.Figure 2 shows a segment of the active part of the stator of an electric machine with one of the frontal conductors 7 located above the end surface of the stator core. The end 8 of the frontal conductor 7 is located above its connection 3 with the rod 1 of the stator winding. As you can see, the cross-sectional area of the end 8 of the frontal conductor 7 is gradually increasing towards the center of this frontal conductor (two cross sections of the end 8 of the frontal conductor 7 are shaded with the smallest and largest area). Other frontal conductors of an economical winding of an electric machine and their connection with other rods of this winding are made in the same way.

На фиг.2 изображены также: спинка 9 и один из зубцов 10 шихтованного сердечника статора, воздушный зазор 11 между одним из лобовых проводников 7 и поверхностью 12 зубцово-пазовой зоны сердечника статора электрической машины. Между другими лобовыми проводниками обмотки статора и поверхностью 12 зубцово-пазовой зоны сердечника статора также есть воздушный зазор. Лобовый проводник 7 выполнен так, что на концах проводника площадь его поперечного сечения постепенно увеличивается вдоль проводника по направлению к его центру. Такое увеличение площади его поперечного сечения приводит к экономии меди при изготовлении этого проводника. Объем части 13 с пунктирными линиями определяет объем сэкономленной меди для одного конца лобового проводника 6. Так как остальные лобовые проводники обмотки статора выполнены так же, как показанный на фиг.2 проводник 7, - экономия меди на изготовление всех лобовых проводников получается существенной.Figure 2 also shows: the back 9 and one of the teeth 10 of the stator core, the air gap 11 between one of the frontal conductors 7 and the surface 12 of the tooth-groove zone of the stator core of the electric machine. There is also an air gap between the other frontal conductors of the stator winding and the surface 12 of the tooth-groove zone of the stator core. The frontal conductor 7 is designed so that at the ends of the conductor its cross-sectional area gradually increases along the conductor towards its center. Such an increase in its cross-sectional area leads to copper savings in the manufacture of this conductor. The volume of the dashed line part 13 determines the amount of copper saved for one end of the frontal conductor 6. Since the other frontal conductors of the stator winding are made in the same way as the conductor 7 shown in Fig. 2, the copper saving on the manufacture of all frontal conductors is significant.

Таким же образом может быть выполнена экономичная двухслойная обмотка фазного ротора асинхронной машины или обмотка якоря машины постоянного тока.In the same way, an economical two-layer winding of the phase rotor of an asynchronous machine or armature winding of a DC machine can be performed.

Таким образом, предложенная двухслойная обмотка электрической машины является экономичной, так как позволяет уменьшить расход материала (например, меди) на изготовление активных проводников (стержней) и на изготовление лобовых проводников обмотки. В такой обмотке увеличивается теплообмен между обмоткой и окружающей средой. То есть охлаждение предложенной обмотки улучшается.Thus, the proposed two-layer winding of an electric machine is economical, as it allows to reduce the consumption of material (for example, copper) for the manufacture of active conductors (rods) and for the manufacture of frontal conductors of the winding. In such a winding, heat transfer between the winding and the environment increases. That is, the cooling of the proposed winding is improved.

Claims

An economical two-layer winding of an electric machine, including active conductors located in the grooves of the core, and frontal conductors located above the end surfaces of this core, in which at least a significant number of junctions of the ends of the frontal and active conductors are located at the edges of the end surface of the tooth-groove zone core, and the aforementioned connection points have connection areas less than the cross-sectional areas of the active conductors of the winding averaged over the length of the groove, o characterized in that active conductors with a reduced area of the joints are made so that the cross-sectional area of their ends gradually increases towards the centers of the grooves, and the frontal conductors are made so that the cross-sectional area of their ends also gradually increases towards the centers of these frontal conductors .